EP0325152A2 - Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer - Google Patents

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EP0325152A2
EP0325152A2 EP89100378A EP89100378A EP0325152A2 EP 0325152 A2 EP0325152 A2 EP 0325152A2 EP 89100378 A EP89100378 A EP 89100378A EP 89100378 A EP89100378 A EP 89100378A EP 0325152 A2 EP0325152 A2 EP 0325152A2
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plate
optical
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micro
optical components
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Albrecht Dr.-Ing. Kuke
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ANT Nachrichtentechnik GmbH
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    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM
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    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
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    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3648—Supporting carriers of a microbench type, i.e. with micromachined additional mechanical structures
    • G02B6/3652—Supporting carriers of a microbench type, i.e. with micromachined additional mechanical structures the additional structures being prepositioning mounting areas, allowing only movement in one dimension, e.g. grooves, trenches or vias in the microbench surface, i.e. self aligning supporting carriers
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    • G02B6/3628—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers
    • G02B6/3684—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the manufacturing process of surface profiling of the supporting carrier
    • G02B6/3692—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the manufacturing process of surface profiling of the supporting carrier with surface micromachining involving etching, e.g. wet or dry etching steps

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength division multiplexer or demultiplexer according to the preamble of patent claim 1.
  • Wavelength multiplexers and demultiplexers are used in optical communication technology. They are used to combine or separate radiation of different wavelengths. If you want to achieve optimal transmission properties, it is necessary to precisely adjust and fix the optical fibers and the optical components.
  • EP-0 219 358 discloses V-shaped grooves, produced by anisotropic etching, in single-crystal silicon for holding optical fibers.
  • DE-OS 32 06 600 discloses a wavelength division multiplexer or demultiplexer in which the optical fibers lie in etched V-shaped keyways.
  • the lenses of the gradient type are also in grooves with sloping side walls.
  • the fixation structure is made on a base plate Silicon single crystal formed, wherein the surface of the base plate corresponds to a (100) plane of the silicon single crystal.
  • the fixation structure can be produced by anisotropic etching.
  • the invention has for its object to propose a wavelength division multiplexer or demultiplexer in which the high adjustment effort is eliminated and the fixing effort is reduced even when using micro-optical components of different geometries.
  • the object is achieved with respect to the wavelength division multiplexer or demultiplexer by the features of claim 1.
  • the invention assumes that the reproducibility of crystallographic angles and planes is very high for physical reasons.
  • the mask technique known from semiconductor technology is also highly precise.
  • the accuracy of crystal structures can be exploited in anisotropic etching.
  • the basic idea of the invention is to use these properties to produce recesses for holding the micro-optical components and optical fibers in wavelength division multiplexers and demultiplexers.
  • the optical waveguides and micro-optical components are attached to a plate made of single-crystal material.
  • the arrangement of the optical fibers and micro-optical components is selected so that the high-precision crystallographic surfaces are used when using an anisotropic etching process.
  • the side walls of the recesses coincide with crystallographic levels. These levels are distinguished by the fact that the etching rate perpendicular to them is very low compared to etching rates in other crystallographic directions.
  • the geometric arrangement of the micro-optical components is limited in that only certain angles can be produced by anisotropic etching.
  • a mask is produced according to a plan for the beam guidance and the recesses, which takes into account the position of the crystallographic planes and angles.
  • a coated plate made of single-crystal material is exposed with the mask.
  • the recesses are then anisotropically etched.
  • the optical fibers and the micro-optical components are inserted and fastened in the recesses.
  • the attachment can be done with putty, for example.
  • FIG. 1 shows a possible arrangement of optical fibers 1 to 3 and micro-optical components 4 to 8 using a duplexer.
  • the exemplary embodiment can easily be expanded to a multiplexer with n optical fibers. Silicon is used as the crystalline material.
  • a silicon wafer is cut so that the surface of the plate 9 with a (1st 1 0) plane of the silicon crystal coincides (name of the planes and vectors with the Miller indices).
  • a (1st 1 0) level In Figure 2, a (1st 1 0) level.
  • the traces, i.e. the intersection of the four levels with the (1st 1 0) plane are shown in Figure 2.
  • the (11 1 ) Plane and the (111) plane intersect the (1 1 0) level in [112] - or [11 2nd ] Direction and are perpendicular to the (1 1 0) level.
  • the traces of ( 1 1 1 ) Level and the (1st 11 ) Planes collapse and run in the [110] direction. These planes form an angle of 70.53 ° to each other and an angle of 35.26 ° to (1 1 0) plane, i.e. to the substrate surface.
  • V-shaped grooves 10, 11, 12 are provided, which run in the [110] direction.
  • the depth is also determined by the width of these grooves 10, 11, 12, so that the lateral position of the optical waveguides is determined by the highly precise mask technique.
  • the axial positioning of the optical fibers is defined by stops 18.
  • the rays emerging or entering from the end faces of the three optical fibers 1, 2, 3 are collimated by three spherical lenses 4, 5, 6.
  • the distance between optical fibers 1, 2, 3 and ball lenses 4, 5, 6 is defined by the stops 18.
  • the stops 18 run parallel to the [112] - or [11 2nd ] Direction and therefore have vertical walls.
  • recesses 13, 14, 15 are etched, which are triangular on the silicon plate surface and two perpendicular, that is to the [112] - and [11 2nd ] Direction have parallel side walls and two inclined side walls.
  • the recesses 14, 15, 16 correspond to pyramid-shaped bodies with a trapezoidal base and triangular side surfaces, one side surface of which Substrate surface coincides. It is also possible to etch the cutouts so that they appear in parallelogram or trapezoidal shape on the silicon plate surface. This proves to be particularly advantageous, for example, if you want to achieve a high packing density of the optical elements.
  • the brackets ensure that the ball lenses 4, 5, 6 have a fixed position.
  • brackets 16 17 there are two grooves 16, 17 with vertical side walls in [112] - and [11 2nd ] Direction is provided, which appear in parallelogram form on the silicon plate surface. These grooves 16, 17 serve to hold a filter 7 and a mirror 8. Any indentations are provided between the micro-optical components so that the light rays are not obstructed.
  • the arrangement of the optical fibers 1, 2, 3 and micro-optical components 4 to 8 looks as follows.
  • the optical fibers 1, 2, 3 are arranged parallel to each other at a mutual distance, input and output waveguides on opposite sides of the plate 9.
  • rays of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 leave the optical waveguide 1, are collimated by the ball lens 5, then hit with the angle of incidence ⁇ , which is equal to the angle between the [001] and the [112] direction is on a filter layer 20 on the filter 7.
  • Radiation of the wavelength ⁇ 1 is reflected and radiation of the wavelength ⁇ 2 is transmitted.
  • the transmitted beam is refracted again when it exits the filter, then strikes the spherical lens 4 and is there on the optical waveguide 2 focused.
  • the reflected beam strikes a mirror layer 21 of a mirror 8.
  • the angle of incidence corresponds to the angle between the [001] and the [112] direction.
  • the reflected beam is then focused by the spherical lens 6 onto the optical waveguide 3.
  • a wavelength division multiplexer is obtained by reversing the optical beam path.
  • the structure can be expanded if additional wavelength-selective filters are used instead of the mirror.

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Abstract

Um in der optischen Nachrichtentechnik mit Wellenlängenmultiplexern und -demultiplexern optimale Übertragungseigenschaften zu erreichen, ist eine genaue Justierung der Lichtwellenleiter und optischen Komponenten notwendig. Die neue Anordnung soll den Justieraufwand verringern. Die Lichtwellenleiter und die optischen Komponenten sind auf einer Platte (9) aus einkristallinem Material fixiert, wobei das Material anisotrop ätzbar ist und auf der Platte Ausnehmungen zur Halterung (11-18) durch anisotropes Ätzen hergestellt sind. Die Ausnehmungen weisen senkrechte oder senkrechte und geneigte Seitenwände auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Wellenlängenmultiplexer und -demultiplexer werden in der optischen Nachrichtenübertragungstechnik eingesetzt. Sie dienen dazu, Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zusammenzuführen oder zu trennen. Wenn man optimale Übertragungseigenschaften erreichen will, so ist es notwendig, die Lichtwellenleiter und die optischen Komponenten genau einzujustieren und zu fixieren.
  • Aus der DE-OS 35 09 132 ist es bekannt, die Lichtwellenleiter in einer Lochplatte aus einem photolithographischen ätzbaren Material zu fixieren. Die Anschlußflächen der Lichtwellenleiter werden gemeinsam mit der Oberfläche der Lochplatte bearbeitet und poliert. Die in der Lochplatte fixierten Lichtwellenleiter werden dann als Ganzes justiert. Man erspart sich also einen Teil des Justieraufwandes.
  • Aus der EP 0 219 358 sind V-förmige, durch anisotropes Ätzen hergestellte Nuten in einkristallinem Silizium zur Halterung von Lichtwellenleitern bekannt.
  • Aus der DE-OS 32 06 600 geht ein Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer hervor, bei dem die Lichtwellenleiter in geätzten V-förmigen Keilnuten liegen. Auch die Linsen des Gradiententyps liegen in Nuten mit schrägen Seitenwänden. Die Fixierungsstruktur ist auf einer Grundplatte aus einem Silizium-Einkristall ausgebildet, wobei die Oberfläche der Grundplatte mit einer (100)-Ebene des Silizium-Einkristalls korrespondiert. Die Fixierungsstruktur ist durch anisotropes Ätzen herstellbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer vorzuschlagen, bei dem auch beim Einsatz von mikrooptischen Komponenten unterschiedlicher Geometrie der hohe Justieraufwand entfällt und der Fixieraufwand reduziert wird.
  • Die Aufgabe wird bezüglich des Wellenlängenmultiplexers oder -demultiplexers durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Wellenlängenmultiplexers oder -demultiplexers ist im Unteranspruch 2 angegeben.
  • Die Erfindung geht davon aus, daß die Reproduzierbarkeit von kristallografischen Winkeln und Ebenen aus physikalischen Gründen sehr hoch ist. Auch die aus der Halbleitertechnik bekannte Maskentichnik ist hochpräzise. Die Genauigkeit von Kristallstrukturen läßt sich beim anisotropen Ätzen ausnutzen. Der Grundgedanke der Erfindung ist es, diese Eigenschaften zu nutzen, um Ausnehmungen zur Halterung der mikrooptischen Komponenten und Lichtwellenleiter in Wellenlängenmultiplexer und -demultiplexer herzustellen.
  • In der DE-OS 32 06 600 werden die oben beschriebenen Eigenschaften ebenfalls ausgenutzt. Wenn man die Oberfläche des Siliziumkristalls so wählt, daß sie mit einer (100)-Ebene korrespondiert, so können durch anisotropes Ätzen nur V-förmige Nuten oder Nuten mit einem sich nach außen hin verbreitenden U-förmigen Querschnitt hergestellt werden. In solchen Nuten ist es schwierig, Kugellinsen oder quaderförmige Filter zu halten. Bei Wellenlängenmultiplexern oder -demultiplexern nach der vorliegenden Erfindung können auch Spiegel, Kugellinsen und Filter in Ausnehmungen ohne weitere Hilfsmittel präzise fixiert werden, denn Ausnehmungen mit senkrechten Seitwänden sind ebenfalls herstellbar. Dies wird, beispielsweise bei einer Platte aus einkristallinem Silizium, dadurch erreicht, daß die (110)-Ebene des Siliziumkristalls mit der Oberfläche der Siliziumplatte zusammenfällt.
  • Neben Silizium können auch andere Materialien eingesetzt werden, die anisotrop ätzbar sind. Diese Materialien müssen außerdem eine Vorzugsebene aufweisen, von der aus Ausnehmungen mit senkrechten und geneigten Seitenwänden anisotrop ätzbar sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer sind die Lichtwellenleiter und mikrooptischen Komponenten auf einer Platte aus einkristallinem Material befestigt. Die Anordnung der Lichtwellenleiter und mikrooptischen Komponenten ist so gewählt, daß bei Anwendung eines anisotropen Ätzverfahrens die hochpräzisen kristallographischen Flächen genutzt werden. Die Seitenwände der Ausnehmungen fallen mit kristallographischen Ebenen zusammen. Diese Ebenen sind dadurch ausgezeichnet, daß die Ätzrate senkrecht zu ihnen sehr gering ist im Vergleich zu Ätzraten in anderen kristallographischen Richtungen. Die geometrische Anordnung der mikrooptischen Komponenten ist dadurch beschränkt, daß durch anisotropes Ätzen nur bestimmte Winkel herstellbar sind.
  • Zur Herstellung eines Wellenlängenmultiplexers oder -demultiplexers nach der vorliegenden Erfindung wird nach einem Plan für die Strahlführung und die Ausnehmungen, der die Lage der kristallographischen Ebenen und Winkel berücksichtigt, eine Maske hergestellt. Eine beschichtete Platte aus einkristallinem Material wird mit der Maske belichtet. Anschließend werden die Ausnehmungen anisotrop geätzt. Die Lichtwellenleiter und die mikrooptischen Komponenten werden in die Ausnehmungen eingelegt und befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise mit Kitt erfolgen.
  • Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
    • Figur 1: Aufsicht auf eine Siliziumplatte mit Lichtwellenleitern, mikrooptischen Komponenten und Ausnehmungen zur Halterung der Lichtwellenleiter und mikrooptischen Komponenten,
    • Figur 2: Darstellung einer (110)-Ebene eines Silizium-Kristalls mit kristallographischen Vektoren und Winkeln.
  • Figur 1 stellt anhand eines Duplexers eine mögliche Anordnung von Lichtwellenleitern 1 bis 3 und mikrooptischen Komponenten 4 bis 8 dar. Das Ausführungsbeispiel läßt sich leicht auf einen Multiplexer mit n Lichtwellenleitern erweitern. Als kristallines Material wird Silizium verwendet.
  • Ein Siliziumwafer ist so geschnitten, daß die Oberfläche der Platte 9 mit einer (110)-Ebene des Silizium-Kristalls zusammenfällt (Bezeichnung der Ebenen und Vektoren mit den Millerschen Indizes).
  • In Figur 2 ist eine (110)-Ebene dargestellt. Vier Ebenen, die sich dadurch auszeichnen, daß die Ätzrate in Richtung der Flächennormalen wesentlich geringer als die Ätzrate in anderen kristallographischen Richtungen ist, schneiden die (110)-Ebene. Die Spuren, das heißt die Schnittlinien der vier Ebenen mit der (110)-Ebene, sind in Figur 2 eingezeichnet. Die (111)-Ebene und die (111)-Ebene schneiden die (110)-Ebene in [112] - bzw. [112]-Richtung und stehen senkrecht auf der (110)-Ebene. Die Spuren der (111)-Ebene und der (111)-Ebene fallen zusammen und verlaufen in [110] -Richtung. Diese Ebenen bilden einen Winkel von 70,53° zueinander und einen Winkel von 35,26° zur (110)-Ebene, also zur Substratoberfläche.
  • Zur Halterung der drei kreiszylinderförmigen Lichtwellenleiter 1, 2, 3 sind V-förmige Nuten 10, 11, 12 vorgesehen, die in [110] -Richtung verlaufen. Durch die Breite dieser Nuten 10, 11, 12 ist auch die Tiefe bestimmt, so daß durch die hochgenaue Maskentechnik die laterale Position der Lichtwellenleiter festgelegt wird. Die axiale Positionierung der Lichtwellenleiter ist durch Anschläge 18 festgelegt. Die aus den Stirnflächen der drei Lichtwellenleiter 1, 2, 3 aus- bzw. eintretenden Strahlen werden durch drei Kugellinsen 4, 5, 6 kollimiert. Der Abstand zwischen Lichtwellenleitern 1, 2,3 und Kugellinsen 4, 5, 6 ist durch die Anschläge 18 festgelegt. Die Anschläge 18 verlaufen parallel zur [112] - bzw. [112]-Richtung und haben daher senkrechte Wände. Für die Kugellinsen 4, 5, 6 werden Aussparungen 13, 14, 15 geätzt, die auf der Siliziumplattenoberfläche dreieckig sind und zwei senkrechte, also zur [112] - und [112] -Richtung parallele Seitenwände und zwei geneigte Seitenwände haben. Die Aussparungen 14, 15, 16 entsprechen pyramidenförmigen Körpern mit trapezförmiger Grundfläche und dreieckigen Seitenflächen, deren eine Seitenfläche mit der Substratoberfläche zusammenfällt. Es ist auch möglich die Aussparungen so zu ätzen, daß sie auf der Siliziumplattenoberfläche parallelogrammförmig oder trapezförmig erscheinen. Dies erweist sich beispielsweise dann als besonders vorteilhaft, wenn man eine hohe Packungsdichte der optischen Elemente erreichen will. Durch die Halterungen wird gewährleistet, daß die Kugellinsen 4, 5, 6 eine feste Lage haben. Neben diesen Halterungen sind zwei Nuten 16, 17 mit senkrechten Seitenwänden in [112]- und [112]-Richtung vorgesehen, die auf der Siliziumplattenoberfläche parallelogrammförmig erscheinen. Diese Nuten 16, 17 dienen zur Halterung für ein Filter 7 und einen Spiegel 8. Zwischen den mikrooptischen Komponenten sind beliebige Vertiefungen angebracht, so daß die Lichtstrahlen nicht behindert werden.
  • Die Anordnung der Lichtwellenleiter 1, 2, 3 und mikrooptischen Komponenten 4 bis 8 sieht wie folgt aus. Die Lichtwellenleiter 1, 2, 3 sind parallel zueinander mit gegenseitigem Abstand angeordnet, Eingangs- und Ausgangswellenleiter an einander gegenüberliegenden Seiten der Platte 9. An der Stirnfläche der Lichtwellenleiter 1, 2, 3 befindet sich je eine Kugellinse 4, 5, 6, die die aus oder eintretenden Strahlen kollimiert.
  • Verfolgt man den Strahlengang des Demultiplexers, so verlassen Strahlen der Wellenlängen λ₁ und λ₂ den Lichtwellenleiter 1, werden von der Kugellinse 5 kollimiert, treffen dann mit dem Einfallswinkel γ, der gleich dem Winkel zwischen der [001] - und der [112] -Richtung ist, auf eine Filterschicht 20 auf den Filter 7. Dabei wird Strahlung der Wellenlänge λ₁ reflektiert und Strahlung der Wellenlänge λ₂ durchgelassen. Der durchgelassene Strahl wird beim Austritt aus dem Filter nochmals gebrochen, trifft dann auf die Kugellinse 4 und wird dort auf den Lichtwellenleiter 2 fokussiert. Der reflektierte Strahl trifft auf eine Spiegelschicht 21 eines Spiegels 8. Der Einfallswinkel entspricht dem Winkel zwischen der [001] - und der [112] -Richtung. Der reflektierte Strahl wird dann von der Kugellinse 6 auf den Lichtwellenleiter 3 fokussiert. Durch Umkehrung des optischen Strahlenganges erhält man einen Wellenlängenmultiplexer.
    Die Struktur läßt sich erweitern, wenn an Stelle des Spiegels weitere wellenlängenselektive Filter verwendet werden.

Claims (4)

1. Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer, bestehend aus einer Anordnung von mindestens einem Eingangswellenleiter, mindestens einem Ausgangswellenleiter und mikrooptischen Komponenten, wobei die Lichtwellenleiter (1, 2, 3) und die mikrooptischen Komponenten (4 bis 8) auf einer Platte (9) aus einkristallinem Material, das anisotrop ätzbar ist, fixiert sind und Ausnehmungen zur Halterung der Lichtwellenleiter (1, 2, 3) und mikrooptischen Komponenten (4 bis 8) durch anisotropes Ätzen hergestellt sind und wobei zur Halterung der Lichtwellenleiter (1, 2, 3) V-förmige Nuten (10, 11, 12) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte (9) zur Halterung der mikrooptischen Komponenten (4 bis 8) Ausnehmungen mit senkrechten oder mit senkrechten und geneigten Seitenwänden aufweist.
2. Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (9) aus einkristallinem Silizium besteht.
3. Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (9) zur Halterung der mikrooptischen Komponenten Nuten (16, 17) oder Aussparungen (13, 14, 15) aufweist, wobei die Nuten (16, 17) auf der Oberfläche der Platte (9) parallelogrammförmig erscheinen und senkrechte Seitenwände haben und die Aussparungen (13, 14, 15) auf der Platte (9) parallelogramm- oder trapezförmig erscheinen und senkrechte und geneigte Seitenwände haben.
4. Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
a) Die Oberfläche der Platte (9) fällt mit einer (110)-Ebene des Silizium-Kristalls zusammen.
b) Für jeden Lichtwellenleiter (1, 2, 3) ist mit Abstand zu dessen Stirnfläche ein Kollimator (4, 5, 6) vorgesehen.
c) Die Eingangs- und Ausgangswellenleiter sind an einander gegenüberliegenden Seiten der Platte (9) parallel zueinander angeordnet.
d) Die Seitenwände der V-förmigen Nuten (10, 11, 12) werden von (111)- und (111)-Ebenen gebildet.
e) Die Seitenwände der Nuten (16, 17), die auf der Oberfläche der Platte (9) parallelogrammförmig erscheinen und senkrechte Seitenwände haben, werden von (111)- und (111)-Ebenen gebildet.
f) Zur Wellenlängentrennung sind Filter (7) vorgesehen.
EP89100378A 1988-01-22 1989-01-11 Wellenlängenmultiplexer oder -demultiplexer Expired - Lifetime EP0325152B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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DE3801764A DE3801764A1 (de) 1988-01-22 1988-01-22 Wellenlaengenmultiplexer oder -demultiplexer, sowie verfahren zur herstellung des wellenlaengenmultiplexers oder -demultiplexers

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EP0325152A3 EP0325152A3 (de) 1991-07-24
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